旋翼通鉴｜再谈直升机刚性旋翼，为什么不能理解为刚硬旋翼

　　文/丁尹

　　“刚性旋翼到底是不是就是指‘刚硬的旋翼’呢？卡莫夫共轴旋翼和西科斯基共轴刚性旋翼有什么区别呢？”

　　

　　我之前写过一篇关于旋翼（桨毂）构型的文章，从宏观的角度介绍了直升机旋翼的几种常见构型，包括全铰接式旋翼、半刚性旋翼和刚性旋翼等，虽获大多正向反馈，但也有读者朋友认为图文相互佐证不够充分，作为科普文对于入门级别的读者不甚友好。

　　

　　由于旋翼构型本身的复杂性，一篇3000字的文章显然不能囊括方方面面的概念，在听取数百条读者朋友的反馈之后，我决定进一步细化介绍旋翼桨毂构型，尽量把相关的概念讲清楚，这一篇的主题从大家最感兴趣的刚性旋翼开始。

　　刚性旋翼作为一个中文名词，普遍被认为是从英文“Rigid Rotor”直接翻译而来，其中rigid直译就是“刚性”的意思。这种翻译本质上固然没有问题，但是对于对直升机系统了解甚少的读者而言，将其视为一种如同常见的螺旋桨一样的“刚度很大的旋翼”也是一种合乎情理的想象。但实际上，这个名字可以扩展为“（桨叶）刚性（连接在桨毂上的）旋翼”，同理，铰接式旋翼其实就叫“（桨叶）铰接式（连接在桨毂上的）旋翼”。为了保证科学命名规则的统一化而省略掉了括号中的词句，是造成刚性旋翼误解的主要原因。

　　

　　把这些名词扩充完整之后，刚性旋翼和铰接式旋翼的对比也就更为直观了，两者最根本的区别是桨叶与桨毂之间的连接方式，而不是看桨叶到底“刚硬不刚硬”。

　　在直升机旋翼系统中，广义上的铰接式旋翼包括了“全铰接式旋翼”、“柔性铰旋翼”和“跷跷板式旋翼”（其中区别后续专门写铰接式旋翼详解），这些旋翼桨叶与桨毂之间有全套的铰链连接，包括：挥舞铰、摆振铰和变距铰，这些铰链可以使滚子轴承，也可以是弹性轴承，轴承不同，具体旋翼构型的名称就不同。

　　在三个铰之中，变距铰是用来改变桨距的，这个铰链在变距螺旋桨中也很常见，不算直升机的特色。挥舞铰和摆振铰就是直升机的特色了。相比于几乎始终在同一个平面旋转的螺旋桨，直升机的旋翼桨叶在旋转过程中，由于受力不均匀，会存在上下挥动（挥舞）和前后摆动（摆振）等结构运动。

　　

　　加了铰链之后，这些结构运动的力矩传递到铰链就自动平衡掉了，不会再传递到桨毂上；那么没有这些铰链的刚性旋翼，因为桨叶和桨毂之间是刚性连接，这个力矩就会直接传递到桨毂上，这一点有好处也有坏处：好处就是结构简单、操纵响应更快、操纵功效更强，对应的就是直升机的维护性、机动性更好了；坏处就是桨毂需要有非常高的结构强度来承受这个力矩，这就会显著增加桨毂的整体重量，并可能产生较大的振动水平。

　　

　　一般而言，直升机行业中会把没有挥舞铰和摆振铰，但仍有变距铰的旋翼称为“无铰式旋翼”；把三个铰链都没有的旋翼称为“无轴承旋翼”。而显然这两种旋翼都属于“刚性旋翼”的范畴。

　　从上文的逻辑中可以看出，无论桨叶刚硬不刚硬，都不影响它成为一副铰接式旋翼的一部分或者一副刚性旋翼的一部分。之所以部分大众认知中会把刚性旋翼和刚硬桨叶联系在一起，西科斯基的共轴刚性旋翼功不可没。

　　

　　对于大多数直升机而言，材料刚度越高的桨叶，生产制造工艺的难度越大，桨叶的重量也会更大，所以并没有理由去为刚性旋翼搭配刚硬桨叶。

　　但是西科斯基的共轴刚性旋翼高速直升机不同，它的桨叶必须设计得很刚硬，才能避免高速飞行下可能的上下旋翼因挥舞而相互击打问题。从下面S-97的旋翼和卡-52旋翼对比可以看出，为了充分降低旋翼桨毂在高速飞行时候可能产生的巨大阻力，共轴刚性旋翼上下间距是非常小的，这就意味着，如果旋翼的挥舞程度比较大，就很容易打桨。

　　

　　而随着直升机前飞速度增大，旋翼桨叶受力不均匀的程度也会增大，旋翼的挥舞程度也因而增大，为了确保在设计速度下，旋翼的挥舞程度能够被控制在一定范围内，桨叶必须要足够刚硬。

　　当然，在实际飞行中，大展弦比的细长桨叶即便“极其刚硬”，挥摆运动幅度也不会总是很小。这也就是为什么刚性旋翼搭配刚硬桨叶的西科斯基共轴高速直升机也出现过上下旋翼相互击打的事故。

　　

　　可能也正是因为西科斯基的共轴刚性旋翼所展示出的极其刚硬的旋翼桨叶设计，才让许多人直观认为刚性旋翼=刚硬旋翼。不过刚性旋翼的历史要早得多，世界上最早的刚性旋翼直升机是洛克希德公司1959年开始研制的CL-475型直升机，这架直升机的诞生就是为了验证刚性旋翼是否可行而制造的。

　　

　　虽然CL-475的刚性旋翼存在着诸如振动过大等一系列的问题，但是该机的研制工作为洛克希德积累了大量的刚性旋翼研制经验，这些经验促成了60年代初的洛克希德XH-51型直升机和随后的一代传奇AH-56A“夏延”直升机。这些直升机项目虽然最终都无疾而终，但是却大大推进了刚性旋翼技术的发展，我相信如果没有这些前置工作，西科斯基也很难在60年代末就开始推进XH-59A高速直升机的研制工作（共轴刚性旋翼的鼻祖）。

　　

　　本文的最后一部分简单聊一下咱们日常生活中最常见的“多旋翼无人机”。这些无人机的旋翼，如果按照我们前文所言的桨毂构型来划分的话，的确应该属于“刚性旋翼”的类别。但其实这些尺寸极小的旋翼，本质是“空气螺旋桨”的类别，而不是“直升机旋翼”，所以放在刚性旋翼中讨论并不妥。

　　

　　有较真的读者朋友曾经跟我讨论过这个问题，并反问我：“既然不能归类到直升机旋翼，为什么不能直接叫多螺旋桨无人机（Multi-propeller），非要叫多旋翼无人机(Multi-rotor)呢？”

　　这其实是一个语义层面的问题。Rotor一词，在牛津大词典中的解释是“绕着中心点转动的机械部件”，你看下面这张图，全是Rotor（电机的转子）。

　　

　　所以，Rotor在英文中是一个非常通用的概念，不管是电机、风扇、螺旋桨、旋翼，都可以是Rotor。但是，我们更习惯于把主要产生推拉力rotor的叫做螺旋桨，主要产生升力的rotor叫旋转机翼或者旋翼。这也就形成了中文语境下螺旋桨和旋翼之间的差别：当一个螺旋桨作为主要升力面的时候，我们就将其称为“旋翼”，但如果一定要对其构型分类的话，将其分类到“螺旋桨”仍然是最佳的选择。

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